QUESTにおける不純物イオン
トロイダル回転の多視線分光計測
新居邦亮1, 四竈泰一1, 藤川祥亘1, 花田和明2,
図子秀樹2, 恩地拓己2, 蓮尾昌裕11京大院工, 2九大応力研

QUEST
九州大学応用力学研究所高温プラズマ力学研究センター
球状トカマク装置QUEST(Q-shu University Experiment with Steady State Spherical Tokamak)

装置サイズ
高さ：6.6 m
幅 ：5 m

真空容器
高さ：2.8 m
半径：1.4 m

プラズマ中心値(https://www.triam.kyushu-u.ac.jp/QUEST_HP)

2

Electron temperature (eV)800

Electron density (m-3)

1.0×1017

Magnetic field (T)0.16

研究背景と目的• QUESTにおいては高温タングステン壁を導入し，リサイクリング率の増加した状態で粒子を制御することが目的の一つである．

プラズマ• 周辺プラズマにおける圧力とイオンのトロイダル回転との関係を解明することを目指す．
• 不純物イオンのトロイダル回転を計測することで水素イオンのトロイダル回転を推定．
高温壁(タングステン)

ポロイダル断面3

多視線発光分光と逆変換を利用した
目的： C2+，O+イオンのトロイダル回転計測

目次
1.研究背景と目的
2.多視線分光計測
3.逆変換法4.QUESTプラズマへの適用

4

目次
1.研究背景と目的
2.多視線分光計測
3.逆変換法4.QUESTプラズマへの適用

5

多視線分光計測システム

放電間に波長較正用ランプを計測する→ 波長精度 ~0.4 pm(速度換算 約 300 m/s)

6

・周辺プラズマを計測できるように
視線を配置
・視線断面の直径～30 mm→視線同士の間隔～30 mm

計測
最外殻磁気面・ジュール加熱を重畳した8.2 GHz ECR加熱
・ガスパフ量を変化させた3種類の放電を計測
露光時間 (s)（真空容器内壁付近）

プラズマ電流Ip (kA)
（定常）

0.05-300.7

0.1-300.7

0.6-300.35

Z (m)

水素圧力P (mPa)

計測領域

R (m)

7

磁気面

視線10で計測したスペクトル計測・ジュール加熱を重畳した8.2 GHz ECR加熱
・ガスパフ量を変化させた3種類の放電を計測

Z (m)

水素圧力P (mPa)

露光時間 (s)（真空容器内壁付近）

プラズマ電流Ip (kA)
（定常）

0.05

-30

0.7

0.1

-30

0.7

0.6

-30

0.35
波長分解能

C2+ (464.7418 nm)(2𝑠3𝑠 3𝑆1 → 2𝑠3𝑝 3𝑃2o )O+ (464.1810 nm)
R (m)

8

磁気面

(2𝑝2 3𝑃 3𝑠 4𝑃3/2o→ 2𝑝2 3𝑃 3𝑝 4𝐷5/2)
視線10で計測したスペクトル目次
1.研究背景と目的
2.多視線分光計測
3.逆変換法4.QUESTプラズマへの適用

9逆変換
発光線の広がりはドップラー広がりが支配的

視線1→局所的な発光線はガウス関数

𝑔(𝜀, 𝑇, 𝑉)𝑠11
視線14

𝜀 → 発光強度 [W/(sr ∙ m3 )]𝑇 → 温度 [eV]
𝑉 → トロイダル回転速度 [m/s]計測される発光線は局所的な発光線の視線積分値

シェルモデル𝑠

シェル 14QUEST中央平面

シェル 1

計測領域を視線数に相当する14の領域（シェル）に分割し，各シェル内でイオンの発光強度，温度，速度が一定だと仮定
シェル1のパラメータ𝜀1 , 𝑇1 , 𝑉110

→視線1で計測される発光線形状

𝑔 (𝜀1 , 𝑇1 , 𝑉1 ) d𝑠

𝐼1 𝜆 =𝑠11逆変換手法
視線 2
シェル 2𝑠𝑔(𝜀1 , 𝑇1 , 𝑉1 ) d𝑠

𝐼2 𝜆 =

𝐼21 𝜆𝑠21+𝑔(𝜀2 , 𝑇2 , 𝑉2 ) d𝑠𝑠22

𝐼22 𝜆

𝐼21 𝜆 は計算可能→（計測データ ー 𝐼21 𝜆 ）に𝐼22 𝜆 の式をフィッティング

・視線3,視線4,…に順次行い，各シェルの発光強度，温度，トロイダル回転速度を求める

11逆変換の精度検証
発光強度が内側ほど大きい場合，外側シェルのパラメータ誤差が内側シェルのパラメータ決定に与える影響が小さく，この方法により短い計算時間で逆変換が可能

・QUESTプラズマ中イオンの発光強度，温度，速度を青線のように仮定
・各視線で計測される視線積分スペクトル＋実際の実験データと同程度のノイズ→視線1におけるS/N = 10（ C2+），3（ O+ ）
シェル 1

𝜀

シェル 1412

S/N = 10における速度誤差：3 km/s以下

目次
1.研究背景と目的
2.多視線分光計測
3.逆変換法4.QUESTプラズマへの適用

13計測結果（C2+）
シェル 14磁気軸

シェル 1

最外殻磁気面※発光強度の小さい領域(シェル2, 3, 4)ではシェルを統合した
 発光強度・最外殻磁気面より内側で大きく増加
・磁気軸(R = 600~640 mm)とセンタースタック(R = 225 mm)でピークを持つ

14 温度・各圧力で一定となる傾向

トロイダル速度

𝑉𝑉(𝑃 = 0.6 mPa)

プラズマ電流𝑉(𝑃 = 0.05, 0.1 mPa)

最外殻磁気面QUEST中央平面

・炉心部における流れ

オーミック放電→プラズマ電流方向

ECR放電→逆電流方向（実験）・スクレイプオフ層では圧力変化に伴い，流れ方向の反転が見られる

14

スクレイプ層における速度
大半径方向に沿って外側からスクレイプオフ層を見る→

縦軸：ポロイダル方向
横軸：トロイダル方向

ポロイダル方向

𝐸×𝐵
𝐵×𝑔𝑟𝑎𝑑 𝐵

イオン圧力勾配

磁力線方向

トロイダル方向

磁力線垂直方向・𝐸 × 𝐵ドリフト，𝐵×𝑔𝑟𝑎𝑑 𝐵ドリフトは全条件下でプラズマ電流方向・磁力線に沿ったイオン圧力勾配とドリフトのバランスが変化

15→圧力変化に伴い，流れ方向が反転

C2+とO+の比較
C2+とH+
O+ とH+

温度緩和時間

C2+
O+

電離時間

電子衝突による電離により，イオンが失われるまでの時間異なる温度（マクスウェル分布）を持つ２種類のイオンのクーロン衝突でのエネルギー移動による平均運動エネルギー（温度）の緩和時間17C2+とO+の比較
温度緩和時間C2+とH+ ~10-4 s
O+ とH+ ~10-4 s

C2+
O+

電離時間
~10-3 s~10-4 sC2+とO+の温度は水素イオンと緩和していると考えられる

P = 0.1 mPaの放電におけるC2+とO+の各パラメータを比較※発光強度の小さい領域ではシェルを統合した

・温度，トロイダル回転速度はC2+とO+で同じ傾向となっている→

18

C2+とO+は共に水素イオンの温度，トロイダル回転速度を反映しているまとめ
・14本の視線を用いてQUESTプラズマを計測した．
・逆変換法を構築し，計測データに適用することで
C2+とO+のトロイダル回転を計測した．
・圧力変化に伴うトロイダル回転速度の変化が計測された．
・不純物イオンの温度，トロイダル回転速度が水素イオンのものを反映していることを確認した．

19Appendix

装置詳細

14

分光器：ツェルニ・ターナー型，波長分解能(半値全幅) → 22 pm~55 pm

波長時間変化波長較正を行った後のCCDのピクセル番号550に対応する波長波長の時間変化~0.5 pm
→

17

視線番号

13~ 350 m/sの速度に相当（昨年のデータでは ~ 2 km/s程度）

イオン圧力勾配
ポロイダル方向

イオン圧力勾配

トロイダル方向

磁力線
リミタ

磁力線方向
磁力線垂直方向・炉心部から拡散により周辺部へ出たイオンは開いた磁力線に沿ってリミタに向かって流れる・中央平面上に存在するイオンを計測→圧力勾配による流れの停留点が上下にずれると計測される速度の向きが変わる